專利名稱：柴油機催化系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及選擇性催化還原系統，該系統用于減少壓燃式發動機 的氮氧化物排放水平，該系統包括位于第一催化器上游的第一還原劑 噴射器，該第一催化器包括選擇性催化還原涂層。
背景技術：
至少從二十世紀七十年代早期起，在內燃機技術中，對排放的關 注越來越多。對于SI (火花點燃式)發動機來說，在七十年代中期三 元催化劑投放市場后，排放幾乎不被認為是個問題。
然而，對于CI (壓燃式)發動機，該情況稍加復雜；CI發動機具 有氮氧化物(NOx)和微粒(煙灰)的固有高排放水平。由于在CI發 動機里發動機燃燒的本質，即大量的空氣被導入汽缸，于是空氣被壓 縮。隨后，隨發動機負荷的函數變化的一定量燃料被噴入該壓縮空氣 中。噴射燃料將由于空氣壓縮所引起的高溫而自燃。
噴射燃料以擴散模式燃燒，gP，燃燒速度或多或少地由噴射燃料 和壓縮空氣之間的混合比率所控制。煙灰將形成在富燃料帶并且NOx 將形成在燃燒帶中，該燃燒帶具有髙溫并且留有足夠的氧以形成NOx。
關于減少CI發動機排氣中的NOx的排氣后處理的一個阻礙是氧的 存在；如之前的暗示，大量空氣在燃料噴射以前被導入汽缸中。因此， 與完全燃燒所有噴射燃料所需的空氣量相比，汽缸中總有過剩空氣。 排氣中的剩余空氣使得使用標準三元催化劑來減少NOx排放成為不可 能。
4煙灰(或微粒)也是CI發動機的主要問題；如上述，煙灰形成于 富燃料燃燒帶。形成小燃料滴的高燃料噴射壓力能顯著減少煙灰形成， 但是在能接受多高的噴射壓力上存在著設計限制。
有一些方法來減少CI發動機中的NOx形成；最常見的方法是延遲 噴射正時。通過延遲噴射正時，能減少最大燃燒溫度，這將依次減少 NOx形成。然而，該NOx的減少伴隨著一些代價，即煙灰形成和燃料 消耗都隨著延遲噴射正時而增加。
一種減少NOx排放的有效方法是使用SCR (選擇性催化還原)排 放后處理系統。常見的SCR系統包括涂有如沸石、V氧化物(如V205)、 銅沸石、鐵沸石或者適合SCR的其他已知材料的基質。不同于SI發動 機的三元催化劑，SCR系統無法在僅由排氣組成的環境中工作； 一些 附加的試劑必須加入排氣中，如還原劑。常見的此種試劑是尿素，即 (NH2)2CO，還有碳氫化合物或氫。
SCR催化劑的效率，與行駛周期(drivingcycle)有關，限于大約65 一80%，并且其功能由于煙灰的存在而嚴重削弱。
過濾器被用作煙灰散播的排氣后處理；然而此種過濾器隨發動機 負荷情況變化而需要經常再生。該再生主要指排氣溫度通過任何方式 增加，例如，通過極端延遲的燃料噴射、二次噴射、通過入口空氣節 流、或通過任何其他適合的方式。該增加的排氣溫度使過濾器捕集的 煙灰微粒"燃盡"，也就是與氧一起在排氣中反應以形成二氧化碳和水。 然而，每一次再生后果導致了燃料經濟性損失。
現在和未來涉及NOx排放的法規實際上將使聯合延遲燃料噴射、 SCR系統和煙灰過濾器成為必須。這導致"惡性循環"，最終導致高燃 料消耗，這又進一步導致溫室效應增加和糟糕的運行經濟性。如果該NOx排氣后處理可以改善，則該惡性循環應該被打破；該 燃料噴射正時可以被設置成設定的給定最小燃料經濟性，這將跟著減 少煙灰形成，進一步又將使NOx的減少更容易。
所以本發明的目的是提供能夠達到高的NOx轉化因數的排氣后處 理系統。
發明內容
本發明通過位于第一催化器下游的第二還原劑噴射器和置于第二 還原劑噴射器下游的第二催化器來解決了以上或其他問題，所述第二 催化器包括選擇性催化還原涂層。
在本發明的一個實施例中，第一催化器包括過濾器功能元件(filter ftmction)以捕集由壓燃燃燒形成的微粒。在此實施例中，第一催化器包 括多個細長單元，這些單元分別交替地具有封閉和開放的頂端和底端， 其中排氣氣流被促使通過組成該單元的單元壁，并且其中選擇性催化 還原涂層涂在壁的單側或雙側。
為了進一步給根據本發明的系統提供氧化能力，氧化催化涂層被 涂在單元壁的上游側。
為精調由還原劑噴射器噴射的還原劑的量，感測排氣中的氮氧化 物和/或氨的存在的傳感器可被布置在排氣氣流中。精調的一個實施例 包括分別將傳感器放置在所述過濾器的下游和第二催化器的下游。另 一種實施例僅包括一個NOx或NH3傳感器，其置于該第二SCR催化器
的下游。
接下來，將參考以下的附圖對本發明進行描述，圖中 圖1是根據本發明的催化器系統的示意6圖2a是可用來作為催化器的過濾器介質的一部分的俯視圖；和 圖2b是圖2a中過濾器介質的截面側視圖。
具體實施例方式
在圖1中示出了根據本發明的催化器系統100的示意圖。該催化 器系統100連接到發動機110的排氣系統并且包括第一催化器200、第 二催化器300和排氣壓力調節器(EPG) 400，第一催化器200的設計 將在后面描述。此外，第一還原劑噴射器210和第二還原劑噴射器310 分別安裝在第一催化器200的上游和第二催化器300的上游。還原劑 可以是如尿素、碳氫化合物、氫或其他帶有還原特性的合適種類。N0X-和/或NH3傳感器220、 320分別安裝在該第一催化器200和第二催化 器300的下游。作為選擇，第一NCV和/或NH3傳感器220也可以省 略掉。
催化器200和300都稱為SCR (選擇性催化還原)—催化器，其功 能在本領域技術人員中眾所周知，并且在背景技術部分已做簡要描述。 然而催化器200還進一步提供過濾器功能元件以便過濾從CI發動機中 散發的微粒。此催化器基本上設計成微粒過濾器，其涂有SCR涂層以 便得到雙重功能，即同時為過濾器和SCR催化器。該SCR涂層可以設 置在過濾器的上游側上或在過濾器的下游側上或同時在兩側上，其可 以是其它任何作為SCR催化器的合適涂層。
在圖2a中，以俯視圖方式顯示了構成第一催化器200的涂有SCR 的過濾器介質250的一部分;圖2b中，以截面側視圖方式顯示了過濾 器介質250的同一部分。過濾器介質250包括若干伸長的過濾器單元 260,每個過濾器單元由4個壁260a、 b、 c和d、以及上游表面265或 下游表面270所限定；每個其他單元將設置有上游表面，并且其相鄰 單元將設置有下游表面。
壁260a、 b、 c和d由多孔材料制成，其孔的尺寸足夠小以便捕集
7發動機燃燒時散發的微粒。過濾器的功能基本上是使未過濾的排氣進 入具有開口上游端的過濾器單元，并且通過該單元的壁進入具有開口 下游端的單元，因此能從下游開口端離開過濾器介質。隨后，面對具
有開口上游端的單元的壁260a、 b、 c和d的表面被稱為"上游壁表面"， 而其他壁表面被稱為"下游壁表面"。如上描述的過濾器系統常被稱為 "穿壁流動"過濾器。
根據本發明，單元的上游壁表面和下游壁表面的任意一個或全部 涂有SCR涂層；這能保證該第一催化器的雙重功能，即過濾微粒和使 NOx和還原劑之間產生SCR反應以便減少NOx排放的功能。如此的雙 重功能，當然能產生經濟方面的作用，然而還有其它的益處，即SCR 反應有助于將附在過濾器上的微粒燃燒完，這能延長過濾器再生的周 期，或最好的情況，無需再生。
還有一種在壁260a、 b、 c和d的上下游側上使甩不同的SCR涂 層的可能性；不同的SCR涂層具有不同溫度區域，在不同溫度區域中 它們具有其最佳性能。因此，可以獲得一種具有廣泛溫度范圍的催化 器。
在任何環境下，如果需要調節排氣溫度，則這能夠通過排氣壓力 調節器400獲得；如本領域技術人員眾所周知的，可通過使發動機工 作在高排氣壓力下而提高排氣溫度。然而，從燃料經濟性角度看，通 常使發動機在盡可能低的排氣壓力下工作最經濟。
在本發明的另一個實施例中，上游壁表面或下游壁表面的任意一 個涂有氧化催化涂層。該涂層將在排氣中使燃料的可能成分，即碳氫 化合物氧化，氧化作用將增加排氣溫度并減少碳氫化合物排放到環境 中《根據本發明，在未涂氧化催化涂層的壁表面上涂SCR涂層。氧化 催化涂層的例子包括不同貴金屬，如鉑(Pt)、鈀(Pd)、銠(Rh) 或銥(Ir)，基金屬氧化物或它們的混合物。為燃燒完粘在過濾器孔中的微粒，有必要在一定時期內提高排氣 溫度。這可以通過一些方法實現，如通過延時噴射燃料、使用二次噴 射、通過吸氣節流、可變閥致動、排氣再循環、或本領域技術人員眾 所周知的其他方法。
使用氧化催化劑能通過向氧化催化劑上游的排氣氣流中噴射燃料 來提高排氣溫度；該燃料在氧化催化劑作用下催化地燃燒，因此提高 了氧化催化劑下游的排氣溫度。為在催化器200中獲得燃燒完微粒的 最大效果，催化涂層優選涂在單元壁260a、 b、 c和d的上游表面。
當然，也可使用布置于第一催化器200上游的分離氧化催化劑。 使用清理催化劑功能的目的是限制位于催化器300下游的噴射還原劑 的發散，該功能的作用在任何SCR系統中都常用，因此未在附圖中顯 示。第一催化器200還可包括一個過濾器襯底，其過濾效率小于穿壁 流動過濾器。
第二催化器300與第一催化器200相似，但優選采用更傳統的催 化器設計。
在本發明的又一個實施例中，第一催化器200和第二催化器300 都采用傳統設計。在此情況下，微粒過濾器(未顯示)被設置在兩個 催化器的上游。該實施例中的微粒過濾器必須采用上述提到的任意方 法進行再生。
為控制噴射到排氣中的還原劑量，兩個還原劑噴射器210、 310由 控制器C控制。該控制器C進一步從NOx形成模型中獲得輸入，該形 成模型建立在如發動機負載、發動機速度、進口空氣溫度、充氣壓力 (charge pressure)和其它NOx形成需要的參數的基礎上。該NOx形成 模型提供了對還原劑量大致的估計以在第一催化器200和第二催化器
9300中獲得滿意的NOx轉化。
為獲得對噴射到排氣中的還原劑數量的精確控制，特別是當還原 劑為尿素或氨時，來自NOx/NH3傳感器220、 320的信息可用于精確調 整噴射到排氣中的還原劑量。在本發明的一個實施例中，同時采用NOx 和NH3傳感器；這提高了安全等級，因為能同時監控NOx的水平和NH3 的水平。如果例如NOJ專感器提供排氣中NOx含量過高的值，這通常 將使控制器C噴射過多大量的還原劑，則這可以通過提供NH3傳感器 來避免，在此種情況下將出現排氣中存在大量NH3 (來源于噴射到排 氣中的還原劑)的信號，因此使控制器C能夠修正噴射到排氣中的還 原劑量。顯然，如果來自NOx和NH3傳感器的值不正確，控制器C必 須通知運行人員，或者在機載診斷盒(未顯示)中保存該故障顯示以 便隨后在維修站中讀出。
以上顯示了CI發動機的NOx還原系統的示例性實施例。通過該系 統的效果，能使CI發動機運行在燃料效率和煙灰低排放的最優模式中， 因此根據本發明的催化器系統中在該模式下產生的NOx排放將有效的 減少。
以上示出了本發明的示例性實施例；如可被本領域技術人員所知， 從所述實施例可做許多變形。
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權利要求
1. 一種選擇性催化還原系統(100)，用于減少壓燃式發動機(110)的氮氧化物排放水平，該系統包括位于第一催化器(200)上游的第一還原劑噴射器(210)，所述第一催化器(200)包括選擇性催化還原涂層，其特征在于位于所述第一催化器(200)下游的第二還原劑噴射器(310)；和置于所述第二還原劑噴射器(310)下游的第二催化器(300)，并且該第二催化器(300)包括選擇性催化還原涂層。
2. 如權利要求1所述的選擇性催化還原系統(100)，其中所述第一催化器(200)包括過濾器功能元件，以捕集由壓燃燃燒形成的微粒。
3. 如權利要求2所述的選擇性催化還原系統(100)，其中所述第一催化器(200)包括多個細長單元(260)，該多個細長單元分別交替地具有封閉和開放的頂端和底端，其中氣流被促使通過構成所述單元的單元壁(260a、 b、 c、 d)，并且其中所述選擇性催化還原涂層涂在所述壁(260a、 b、 c、 d)單側或雙側上。
4. 如前述權利要求中任一項所述的選擇性催化還原系統(100)，其中氧化催化涂層涂在所述單元壁(260a、 b、 c、 d)的上游側。
5. 如前述權利要求中任一項所述的選擇性催化還原系統(100)，進一步包括感測排氣中氮氧化物和/或氨的存在的傳感器(210、 310)。
6. 如權利要求5所述的選擇性催化還原系統(100),其中所述傳感器(210、 310)分別置于所述第一催化器(200)的下游和所述第二催化器(300)的下游。
7. 如前述權利要求中任一項所述的選擇性催化還原系統(100)， 其中裝置(400)位于包括在所述選擇性催化還原系統(100)中的部 件(210、 200、 300、 310)中任一個的上游，所述裝置布置為操控所 述選擇性催化還原系統(100)的溫度，以及由此的所述選擇性催化還 原系統(100)的性能窗。
8. 如權利要求7所述的選擇性催化還原系統(100),其中所述 裝置(400)是排氣壓力調節器。
9. 一種用于減少壓燃式發動機(110)的氮氧化物排放的方法， 其中的排氣系統包括-位于第一催化器(200)上游的第一還原劑噴射器(210)，該第 一催化器(200)包括選擇性催化還原涂層，位于所述第一催化器(200)下游的第二還原劑噴射器(310); 和 —置于所述第二還原劑噴射器(310)下游的第二催化器(300), 并且該第二催化器包括選擇性催化還原涂層，其中所述方法的特征在于如下步驟a. 預測在所述第一催化器(200)上游的排氣氣流中的氮氧化物含量，b. 基于所述預測，計算要噴射到所述第一催化器上游的還原劑的且 里，c. 噴射此預測的所述第一催化器上游的還原劑的量，d. 測量所述第一催化器(200)下游和所述第二催化器(300)上 游的排氣氣流中的剩余氮氧化物水平，e. 相應地調節所噴射的還原劑的量，f. 基于所述第二催化器上游的所述剩余氮氧化物水平，預測噴射 到所述第二催化器上游的還原劑量，g. 測量所述第二催化器(200)下游的氮氧化物水平，和h. 相應地調節所述第二催化器(200)上游所噴射的還原劑的量。
全文摘要
柴油機催化系統以及用于減少壓燃式發動機(110)的氮氧化物排放水平的選擇性催化還原系統(100)，包括位于第一催化器(200)上游的第一還原劑噴射器(210)，該第一催化器(200)包括選擇性催化還原涂層。第二還原劑噴射器(310)位于第一催化器的下游；以及第二催化器(300)置于第二還原劑噴射器的下游并且包括選擇性催化還原涂層。
文檔編號F01N3/20GK101460720SQ200680054961
公開日2009年6月17日 申請日期2006年6月13日 優先權日2006年6月13日
發明者烏爾里克·戈貝特, 喬納斯·揚森, 安德烈亞斯·欣茨, 漢斯·貝爾恩萊爾 申請人:沃爾沃拉斯特瓦格納公司